Lékařská chemie přednáška č. 3

Transkript

1 Lékařská chemie přednáška č. 3 vnitřní prostředí organismu transport látek v membráně Václav Babuška Vaclav.Babuska@lfp.cuni.cz

2 Vnitřní prostředí organismu Procento vody v organismu 2

3 Vnitřní prostředí organismu Obsah vody v různých tkáních % VODY KREV 83% SVALY 76% KŮŽE 72% KOSTI 22% TUKY 10% ZUBNÍ SKLOVINA 2% 3

4 Vnitřní prostředí organismu Distribuční prostory Celková tělesná voda - 60% hmotnosti těla Extracelulární tekutina 20% hmotnosti těla Intracelulární tekutina 40% hmotnosti těla Intersticiální tekutina 15% hmotnosti těla Plazma 5% hmotnosti těla 4

5 Vnitřní prostředí organismu Distribuční prostory hmotnost (100 %) 70 kg CTV (60 %) 42 l ECT (20 %) 14 l ICT (40 %) 28 l plazma krevní = IVT (5 %) 3,5 l intersticiální tekutina = IST (15 %) 10,5 l transcelulární tekutina nepočítá se do CTV 5

6 Voda a její vlastnosti kovalenční sloučenina vodíku a kyslíku, úhel 105 polární charakter v důsledku rozdílné elektronegativity 6

7 Voda a její vlastnosti voda má větší hustotu než led => led plave na vodě vysoké molární výparné teplo => termoregulace, tlumení výkyvů teploty akumulace tepla a jeho uvolnění 7

8 Iontové složení tělesných tekutin Ca 2+ Mg 2+ SO 4 2-, HPO 4 2-, laktát, ketokyseliny plazma x sérum 8

9 SODÍK Na + ( mmol/l) hlavní kationt ECT podílí se velkou měrou na osmolalitě s vodou prudce reaguje za vzniku NaOH DRASLÍK K + (3,6 4,8 mmol/l) hlavní kationt ICT, vázán na bílkoviny a polysacharidy působí při přenosu nervového vzruchu ovlivňuje svalovou dráždivost, hlavně u myokardu s vodou tvoří rozpustný KOH, s kyselinami draselné soli HOŘČÍK Mg 2+ (0,8 1,1 mmol/l) polovina uložena v kostech, 2% ECT, zbytek ICT hlavně ve svalech v plazmě většina ionizována, zbytek vázán na albumin kofaktor enzymů kinás využívajících ATP k fosforylaci snižuje nervosvalovou dráždivost, podporuje fibrinolýzu 9

10 VÁPNÍK Ca 2+ (2,2 2,6 mmol/l) v těle uložen (až 1kg dle osifikace) v kostech a zubech jako fosforečnan, hydroxyapatit, uhličitan neustálá remodelace kostí v ECT v ionizované formě fyziologicky aktivní metabolismus Ca regulován hormonálně (parathormon, kalcitonin) vstřebávání vápníku Ca.resorpční protein závislý na kalcitriolu nutný pro kontrakci, hemokoagulaci, fotorecepci příprava nesrážlivé krve s citrátem, šťavelanem nebo EDTA nerozpustný šťavelan vápenatý součástí ledvinových kaménků 10

11 CHLÓR, CHLORID Cl - ( mmol/l) vysoce reaktivní plyn, těžší než vzduch, toxický, leptá spojivky a sliznice s vodíkem tvoří chlorovodík ve vodě rozpustný na kyselinu HCl sodná sůl kys. chlorovodíkové -> NaCl hlavní zdroj Na + a Cl -, fyziol. rozt. HCl produkována žaludeční sliznicí Cl - je hlavní aniont ECT, podílí se na osmolalitě ve fagocytech Cl - tvoří s peroxidem vodíku kyselinu chlornou HYDROGENUHLIČITANY HCO - 3 (22 26 mmol/l) vzniká z vody a CO 2 účinkem karboanhydrasy součást hlavního pufru FOSFÁTY (0,7 1,6 mmol/l) PROTEINÁTY ( 16 mmol/l) REZIDUÁLNÍ ANIONTY (< 10 mmol/l) 11

12 Difuze a osmóza DIFUZE o molekuly se pohybují po spádu svého koncentračního gradientu o mezi dvěma roztoky není umístěna žádná membrána OSMÓZA o molekuly se pohybují po spádu svého koncentračního gradientu o mezi dvěma roztoky je umístěna polopropustná membrána, kterou prochází jen molekuly vody 12

13 Difuze a osmóza OSMOTICKÝ TLAK o tlak vyvinutý na koncentrovanější roztok, aby byl kompenzován tok vody přes membránu π = c. R. T o roztoky izotonické, hypotonické, hypertonické o osmolalita plazmy mmol/kg vody o teoretický výpočet => osmolalita = 2.(Na + + K + ) + 5 o membránou lidských buněk volně prochází voda a molekuly plynů (O 2, N 2, CO 2, NH 3, NO, N 2 O), nízkomolekulární nepolární látky (steroidy, uhlovodíky) a některé polární látky (močovina, ethanol) o nepropustná pro elektricky nabité ionty (Na +, K +, HCO 3- aj.) a velké polární molekuly (sacharidy apod.) 13

14 Struktura membrány membrána odděluje buňku od okolí rozděluje buněčné kompartmenty membrána je lipidová dvojvrstva (4-13nm) funkce membrány o komunikace mezi buňkami o transport proteinů o skladování různých látek a jejich následné vylučování 14

15 Transport látek v membráně selektivní transport látek přes membránu regulace buněčného objemu udržování optimální hladiny iontů a ph vylučování toxických látek z buňky tvorba iontového gradientu => základ excitability o pasivní přenos - nevyžaduje energii - difuze ve směru koncentračního spádu o aktivní přenos - využívá energii ATP - může transportovat proti koncentr. spádu - jednosměrný s vysokou specifitou ATP o sekundární aktivní přenos - nevyžaduje nutně energii - využívá gradient vytvořený aktivním transportem 15

16 Pasivní transport koncentrační a elektrochemický GRADIENT 1) prostá difuze - malé molekuly, bez náboje, rozpustné v lipidech ( O 2, N 2, CO 2 ) 2) usnadněná difuze proteinovým kanálem 3) usnadněná difuze proteinovým transportérem 16

17 Typ transportu 1) Uniport - látka je transportována přes membránu individuálně (např. glukosa) 2) Symport - dvě různé látky transportovány najednou jedním směrem (např. Na + a glukosa) 3) Antiport - dvě látky přestupují v opačném směru (např. Cl - a HCO 3- ) 17

18 Aktivní transport = pumpy ATP ADP + P i vyžaduje dodání energie energie získávána většinou hydrolýzou ATP někdy se nazývá ATPasový systém 18

19 Pasivní transport - příklady Sodíkový kanál umožňuje rychlý průnik sodíkových iontů do buňky je úzký a propouští jen hydratované sodíkové ionty pro draslíkové ionty a další elektrolyty je nepropustný vstup je kontrolován negativně nabitými skupinami je důležitou funkční jednotkou nervových tkání, umožňuje neuronům převzetí signálu a jeho propagaci existují toxiny schopné sodíkový kanál selektivně uzavřít tetrodotoxin - smrticí jed čtverzubců rodu Takifugu saxitoxin - produkován mořskými obrněnkami a modrozelenou řasou 19

20 Pasivní transport - příklady Vápníkový kanál umožňuje průchod vápníku přes membránu je řízen buď napětím na membráně nebo ligandem existují různé typy L, N, P/Q, T L-typ -> kosterní a srdeční svaly, hladké svaly cév je citlivý na inhibitory = blokátory Ca 2+ kanálu -> nifedipin, verapamil blokací kanálu se sníží průchod Ca 2+ iontů -> snížení krevního tlaku nifedipin verapamil 20

21 Aktivní transport - příklady Sodíko-draslíková pumpa = Na + -K + ATPasa složena ze 4 podjednotek (a,a,b,b) čerpá sodík z cytosolu a draslík do buňky proti konc. spádu, cyklus trvá 10 ms asymetrický přenos 3 Na + za 2 K + každý cyklus vyžaduje hydrolýzu 1 ATP trvale udržuje gradient hlavních iontů vnitřního prostředí vzniklý gradient je hnací silou mnoha transportních mechanismů 21

22 Aktivní transport - příklady Sodíko-draslíková pumpa - blokátory je citlivá na kardiotonické steroidy náprstníku a strofantu digoxin strofantin ouabain použití při terapii srdečních chorob částečnou inhibicí pumpy zpomalí dosažení gradientu nutného pro zahájení kontrakce, prodloužení z několika ms až na sekundu srdce nemůže reagovat na patologické impulsy ke kontrakci a dochází k vyloučení extrasystol 22

23 Aktivní transport - příklady Vápníková pumpa = Ca 2+ ATPasa nízká koncentrace Ca 2+ v cytoplazmě vápník je soustředěn v kompartmentech (sarkoplazmatické retikulum ve svalových buňkách) pumpa čerpá vápník jednak z buňky do ECT a rovněž z cytosolu do kompartmentů sarkoplazmatického retikula uvnitř retikula je vápník vázán na bílkovinu kalsekvestrin (1b:40Ca 2+ ) na 1 hydrolyzovanou molekulu ATP se přenesou 2 ionty Ca pump na 1mm 2 retikula cytoplazma má 10-5 mol/l Ca 2+ retikulum má 10-2 mol/l Ca 2+ 23

24 Aktivní transport - příklady Protonová pumpa = H + -K + ATPasa v parietálních buňkách žaludeční sliznice přenáší vodíkový iont výměnou za iont draslíku inhibitory: omeprazol 24

25 Nexus gap junction spojení sousedních buněk stejného typu umožňuje přechod metabolitů, iontů, živin a signálních molekul mezi buňkami bez kontaktu s ECT spojů na 1mm 2 povrchu b. za normálního stavu otevřeny některé stavy (např. zvýšení Ca 2+ nebo H + časté při poškození buňky) vyvolají uzavření rotačním pohybem izolace zdravých buněk od poškozených 25

26 Aquaporiny transport vody membránou objeveny v roce 1992, američan Peter Agre Nobelova cena za chemii mnohem rychlejší průchod vody membránou než prostou difuzí zvyšují permeabilitu membrány pro vodu 26

27 Vezikulární transport Endocytóza proces absorbce materiálu buňkou z vnějšího prostředí prostřednictvím membránového váčku podle velikosti pohlcovaného materiálu se dělí na fagocytózu, pinocytózu a receptorem aktivovanou endocytózu 27

28 Vezikulární transport Exocytóza proces uvolňování (sekrece) materiálu buňkou do svého okolí dochází ke splynutí transportního váčku (vezikulu) s povrchem membrány váček vzniká odškrcením membrány endoplazmatického retikula nebo z Golgiho aparátu, ve kterých většina sekretovaných látek vzniká načasování, místo vzniku a směr pohybu váčku stejně jako místo jeho fúze jsou striktně a složitě řízené procesy slouží k vylučování nepotřebných látek nebo látek užitečných v okolí buňky (hormony), vystavení bílkovin a receptorů v membráně, zvětšení povrchu 28

29 Transportní antibiotika jednoduché peptidy pronikající do mikroorganismu, kde znemožňují dosažení koncentračního gradientu Valinomycin sférický peptid z 12 aminokyselin s hydrofilní dutinkou proniká do lipofilní struktury membrány přenáší dehydratovaný iont K + po koncentračním spádu Gramicidin b-helixový peptid z 15 aminokyselin spojením 2 molekul vznikne mokrý kanál průchozí pro většinu iontů, ruší gradient 29